WO2003088368A2 - Position-sensitive germanium detectors having a microstructure on both contact surfaces - Google Patents

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WO2003088368A2
WO2003088368A2 PCT/EP2003/003485 EP0303485W WO03088368A2 WO 2003088368 A2 WO2003088368 A2 WO 2003088368A2 EP 0303485 W EP0303485 W EP 0303485W WO 03088368 A2 WO03088368 A2 WO 03088368A2
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Thomas Krings
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Definitions

  • the invention relates to a spatially resolving detector for the measurement of charged particles or photons.
  • the invention further relates to a tomograph or a Compton camera with such a detector.
  • a detector of the type mentioned at the outset is the publication "High Purily Germanium Position-Sensitive Detector for Positron Annihilation Experiments", G, Riepe, D, Proti'c, R, Kurz, W. Trifts Reifen, Zs. Kajcsos and J, Winter, Proceedings 5 * Int. Conf. Positron Annihilation, (Japan, 1979), from which a detector consisting of very pure crystalline germanium is known, which has microstructures on both sides, phosphorus on one side and boron on the other side The implantation was carried out by ion implantation.
  • the location-dependent charge represents a measure of the information sought
  • contacts doped with boron can be produced very easily by ion implantation.
  • Implanting with phosphorus is fundamentally also a technically very simple method, but disadvantageous is the radiation damage that leads to p + doping in a layer that is actually supposed to be an n or n + contact.
  • the radiation damage has a correspondingly disruptive effect.
  • the n or p layers are provided with structures, the structures can be produced by a lithographic process, lithographic processes belong to the general specialist knowledge.
  • a light-sensitive varnish is applied to the surface to be structured using a photophotoiithographic process.
  • the light-sensitive varnish is partially exposed through a mask.
  • Trenches are then introduced into the surface at the exposed areas of the photoresist using plasma etching.
  • the n-layer or p-layer is then structured. This is to be understood to mean that the layer acting as an n- or p-contact is divided into individual segments which are separated from one another by trenches. These separated elements are often referred to in the literature as local elements be removed.
  • the structuring can take the form of strips on both sides.
  • the strips on one side are then, for example, oriented perpendicularly relative to the strips on the other side. In principle, however, any geometric pattern is possible.
  • a spiral structure on both sides has already been planned. The spirals ran in opposite directions, so that spatial resolution was also possible,
  • the thickness of the lithium layer which is typically 200 to 1000 ⁇ m deep, it is also disadvantageous that no transmission detectors can be provided.
  • Aluminum can be replaced by other metals such as palladium or gold.
  • the metal is structured and applied in the form of a strip.
  • the amorphous germanium layer is not structured, this is only very slightly conductive, so that the structuring of the metallic surface is sufficient for one to obtain spatially resolving detector.
  • the object of the invention is to provide a detector of the type mentioned at the outset with improved accuracy in energy determination and improved energy resolution in measurement.
  • the object of the invention is achieved by a spatially resolving detector with the features of the first claim.
  • Advantageous refinements result from the subclaims.
  • a method for producing the detector results from the subordinate claim,
  • the object is achieved by a spatially resolving detector for the measurement of charged particles with a surface area which is formed by an amorphous layer and a structured metallic layer located thereover.
  • the structure of the metallic layer is continued into the amorphous layer. According to the invention, it is important that not only the metallic surface but also the amorphous layer located below is structured. The structures match.
  • the structure of the metallic layer advantageously extends through the amorphous layer into the crystal structure on which the amorphous layer is applied.
  • the measurement accuracy in energy determination is increased compared to the prior art if the structuring extends into the amorphous layer.
  • the achievable energy resolution is also significantly improved.
  • the improvements are particularly successful if the structure is passed through the amorphous layer and extends into the crystalline structure located underneath. A few ⁇ m depth of the structure in the crystalline area is sufficient.
  • the structure should extend into the semiconducting region at least 1 ⁇ m deep, preferably at least 5 ⁇ m deep.
  • amorphous layer made of germanium.
  • the metallic layer can consist, for example, of aluminum, palladium or gold.
  • the crystalline region below the amorphous layer then preferably also consists of germanium,
  • the structure is formed by segments which have an offset of less than 200 ⁇ m, in particular a distance of less than 100 ⁇ m, particularly preferably less than 20 ⁇ m.
  • the practically realizable lower limit is approx. 1 ⁇ m.
  • the desired small structures can be generated, for example, by a photophotolithographic process.
  • the amorphous layer is basically applied to a semiconductor material.
  • the amorphous layer therefore has an electrical conductivity which is significantly less than the conductivity of the material which is located below the amorphous layer.
  • an amorphous germanium layer is first sputtered or vapor-deposited onto crystalline germanium.
  • a metal layer is then evaporated, for example an aluminum layer.
  • the desired structures are then lithographically produced in a defined manner. Trenches are etched so deeply within the amorphous germanium metal layer that they at least reach the germanium crystal region. These trenches advantageously extend into the geranium crystal.
  • the counter contact (p + ) was provided by doping with boron and subsequent microstructuring.
  • a three-dimensional location determination ( ⁇ z ⁇ 100 ⁇ m) by individual drift time measurements per segment with time resolutions ⁇ 10 ns FWHM can be carried out; • one. Particle identification by measuring the drift time differences can be carried out.
  • the dimensions of a detector are typically 3 inches in diameter.
  • the thickness of the detector is typically 10 to 20 mm.
  • the effective thickness of the boron layer is regularly below 1 ⁇ m.
  • the thickness of the amorphous germanium layer is typically approx. 0.1 ⁇ m thick.
  • the metal layer is typically 0.1 to 0.2 ⁇ m thick.
  • the depth of the trenches is typically 10 ⁇ m.
  • implanted boron regularly extends up to 10 ⁇ m or even up to 20 ⁇ m into the germanium crystal. Etching has also been carried out to this depth.
  • the invention differs from the prior art in particular in that the depth of the trench extends much further than would have been necessary for the metal layer or also for the amorphous germanium layer itself to achieve optimal effects,
  • a crystal consisting of silicon can be provided,
  • the detector is to be used in particular in the medical field, since the detectors previously used do not provide the required spatial resolutions with a high counting rate.
  • the spatial resolution can be increased practically indefinitely in the present invention. In terms of magnitude, the spatial resolution can easily be doubled compared to hitherto used in detectors used in medicine while maintaining the remaining performance.
  • the spatial resolution in the medical field was previously 2 mm. Spatial resolutions of 1 mm can now be implemented without any problems, in particular in the field of tomography the detector is used to achieve significantly better results.
  • Positron emission tomography is another area in the medical field where the detector can be used to advantage.
  • SPECT is another application example.
  • the detector is then in particular a component of a Compton camera, small animal positron emission tomography is another typical example of use in medicine.
  • Another important area of application is astrophysics for the present detector,
  • FIG. 1 shows a section through a semiconductor 1 consisting of germanium.
  • the semiconductor 1 has a layer 2 on one surface which consists of amorphous germanium. This forms an n + contact.
  • Opposite is a layer 3 of the semiconductor, which is doped with boron. This forms a p + contact.
  • Metallic layers 4 and 5, which serve for electrical contacting, are applied to layers 2 and 3,
  • the metallic layer structured in the form of a strip. Instead, the trenches 5 extend into the amorphous layer 2, so that the latter has individual segments which are separate from one another.
  • the p + contact can also be structured in a stripe shape.
  • the stripes then generally run perpendicular to the stripes on the side with the amorphous germanium (here, therefore, parallel to the plane of the paper). Therefore no trenches are visible.
  • the embodiment according to FIG. 2 is particularly powerful.
  • the trenches 5 extend into the semiconductor material
  • germanium for example, crystalline or amorphous silicon can be used.
  • Ili-V compounds such as GaAs or CdTe are suitable as semi-ceramic materials.
  • doping with boron it was found that layer 3 can be replaced by amorphous germanium or else amorphous silicon. Why this works is not physically clear,
  • the width of the trenches is between 1 and 200 ⁇ m, so the strips are 1 and 200 ⁇ m apart,

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Abstract

The invention relates to a high-resolution detector used to measure charged particles in a surface area that is formed by an amorphous layer and a superimposed, structured metal layer, whereby the structure of the metal layer extends right into the amorphous layer.

Description

Ortsempfindliche Germαniumdetekforen mit" Mikrostrukfur auf beiden KontakfflächenLocation-sensitive Germαniumdetekforen with " microstructure on both contact surfaces
Die Erfindung betrifft einen ortsauf lösenden Detektor für die Messung von geladenen Teilchen oder Photonen. Ferner betrifft die Erfindung einen Tomographen oder eine Compton-Kamera mit einem derartigen Detektor.The invention relates to a spatially resolving detector for the measurement of charged particles or photons. The invention further relates to a tomograph or a Compton camera with such a detector.
Ein Detektor der eingangs genannten Art ist der Druckschrift „High Purily Germanium Position-Sensitive Detector for Positron Annihilation Experiments", G, Riepe, D, Proti'c, R, Kurz, W. Triftshäuser, Zs. Kajcsos and J, Winter, Proceedings 5* Int. Conf . Positron Annihilation, (Japan, 1979) zu entnehmen, Hieraus ist ein aus sehr reinem kristallinen Germanium bestehender Detektor bekannt, der beidseitig mit MikroStrukturen versehen worden ist. Auf einer Seite des Detektors wurde Phosphor und auf der anderen Seite Bor implantiert. Die Implantation erfolgte durch Ionenimplantation.A detector of the type mentioned at the outset is the publication "High Purily Germanium Position-Sensitive Detector for Positron Annihilation Experiments", G, Riepe, D, Proti'c, R, Kurz, W. Triftshäuser, Zs. Kajcsos and J, Winter, Proceedings 5 * Int. Conf. Positron Annihilation, (Japan, 1979), from which a detector consisting of very pure crystalline germanium is known, which has microstructures on both sides, phosphorus on one side and boron on the other side The implantation was carried out by ion implantation.
Gelangt ein geladenes Teilchen oder Photon in den Detektor, so erzeugt es im Bereich des kristallinen Germaniums Elektron-Loch-Paare, Die jeweilige Ladung wandert zum entsprechenden Kontakt und wird hier ausgelesen, Die ortsabhängig gemessene Ladung stellt ein Maß für die gesuchte Information dar,If a charged particle or photon gets into the detector, it generates electron-hole pairs in the area of the crystalline germanium, the respective charge moves to the corresponding contact and is read out here, the location-dependent charge represents a measure of the information sought,
Insbesondere mit Bor dotierte Kontakte können durch Ionenimplantation sehr einfach hergestellt werden.In particular, contacts doped with boron can be produced very easily by ion implantation.
Mit Phosphor zu implantieren, ist grundsätzlich ebenfalls ein technisch sehr einfaches Verfahren, Nachteilhaft treten jedoch Strahlenschäden auf, die zu p+-Dotierung in einer Schicht führen, die eigentlich einen n- oder n+-Kontakt darstellen soll. Entsprechend störend wirken sich die Strahlenschäden aus.Implanting with phosphorus is fundamentally also a technically very simple method, but disadvantageous is the radiation damage that leads to p + doping in a layer that is actually supposed to be an n or n + contact. The radiation damage has a correspondingly disruptive effect.
Zur Lösung des Problems der Strahlenschäden wird versucht, den Detektor zu tempern. Dies erfolgt bei Temperaturen von typischerweise 350 bis 400°C. Durch den Temperschritt werden Strahlenschäden minimiert, so dass nach erfolgreicher • Durchführung ein guter n- oder n+-Kontakt in der betreffenden Schicht erreicht wird. Nαchfeilhαft weist ein Kristall an der Oberfläche regelmäßig Verunreinigungen, insbesondere aufgrund von vorliegendem Kupfer auf, Kupfer diffundiert bei den für das Tempern erforderliche Temperaturen fypischerweise sehr schnell in den Kristall hinein, Häufig führt dies zu solchen Störeffekten, dass der Detektor insgesamt unbrauchbar wird, Das sehr teure Material kann nicht wieder verwendet werden. Das Herstellungsverfahren ist aufgrund der hohen Ausfallquote sehr teuer,To solve the problem of radiation damage, an attempt is made to anneal the detector. This takes place at temperatures of typically 350 to 400 ° C. Radiation damage is minimized by the tempering step, so that after successful • implementation a good n or n + contact is achieved in the relevant layer. Afterwards, a crystal regularly shows impurities on the surface, in particular due to the presence of copper, copper typically diffuses very quickly into the crystal at the temperatures required for the tempering expensive material cannot be reused. The manufacturing process is very expensive due to the high failure rate,
Um zu einem ortsauflösenden Detektor zu gelangen, werden die n- bzw, p-Schichten mit Strukturen versehen, Die Strukturen können durch ein lithographisches Verfahren erzeugt werden, Lithographische Verfahren gehören zum allgemeinen Fachwissen. Ein lichtempfindlicher Lack wird bei einem photophotoiithografischen Verfahren auf die Oberfläche aufgetragen, die strukturiert werden soll, Durch eine Maske hindurch wird der lichtempfindliche Lack teilweise belichtet, Mittels Plasmaätzen werden anschließend Gräben in die Oberfläche an den belichteten Stellen des Photolacks eingebracht. Die n-Schicht bzw. p-Schicht liegt dann strukturiert vor. Hierunter ist zu verstehen, dass die als n- oder p-Kontakt wirkende Schicht in einzelne Segmente unterteilt ist, die durch Gräben voneinander getrennt sind, Diese getrennten Elemente werden in der Literatur vielfach als Ortselemente bezeichnet, Abschließend kann die Lackschicht zum Beispiel durch chemisches Ätzen entfernt werden.In order to arrive at a spatially resolving detector, the n or p layers are provided with structures, the structures can be produced by a lithographic process, lithographic processes belong to the general specialist knowledge. A light-sensitive varnish is applied to the surface to be structured using a photophotoiithographic process. The light-sensitive varnish is partially exposed through a mask. Trenches are then introduced into the surface at the exposed areas of the photoresist using plasma etching. The n-layer or p-layer is then structured. This is to be understood to mean that the layer acting as an n- or p-contact is divided into individual segments which are separated from one another by trenches. These separated elements are often referred to in the literature as local elements be removed.
Die Strukturierung kann beidseitig streifenförmig erfolgen, Die Streifen auf der einen Seite sind dann zum Beispiel senkrecht relativ zu den Streifen auf der anderen Seite ausgerichtet, Im Prinzip sind jedoch beliebige geometrische Muster möglich. So wurde bereits eine spiralförmige Strukturierung zu beiden Seiten vorgesehen. Die Spiralen verliefen entgegengesetzt, so dass ebenfalls eine Ortsauflösung möglich war,The structuring can take the form of strips on both sides. The strips on one side are then, for example, oriented perpendicularly relative to the strips on the other side. In principle, however, any geometric pattern is possible. A spiral structure on both sides has already been planned. The spirals ran in opposite directions, so that spatial resolution was also possible,
Weitere Beispiele für mögliche Strukturierungen finden sich in der Druckschrift „Nuclear Instruments & Methods in Phiysics research, Section A, A 421 (1999) 447-457, M. Be igeri et aiFurther examples of possible structuring can be found in the publication “Nuclear Instruments & Methods in Physics research, Section A, A 421 (1999) 447-457, M. Beigeri et ai
Die bekannten Strukturen können auch bei der Erfindung vorgesehen sein,The known structures can also be provided in the invention,
Um die problematische Phosphorschicht zu vermeiden, ist bereits versucht worden, Phosphor durch Lithium zu ersetzen. Nachteilhaft sind mit Lithium jedoch nicht so feine Strukturen wie beim Phosphor möglich. Ursache hierfür ist, dass Lithium sehr tief in den Kristall eindringt. Lithographische Verfahren einschließlich Plasmaätzen können nicht mehr angewendet werden, da die erforderlichen Tief en nicht erreicht werden. Es ist daher erforderlich, die Lithiumschicht durch Sägen zu strukturieren. Diese Technik ermöglicht jedoch nicht so feine Auflösungen, wie sie durch lithographische Verfahren erreicht werden können. Es lassen sich also mit einem Detektor, der auf einer Seite mit Lithium dotiert ist, keine sehr großen Ortsauflösungen erzielen,In order to avoid the problematic phosphor layer, attempts have already been made to replace phosphorus with lithium. Disadvantages, however, are not as fine structures with lithium as with phosphor. The reason for this is that lithium is very deep in the Crystal penetrates. Lithographic processes including plasma etching can no longer be used because the required depths are not reached. It is therefore necessary to structure the lithium layer by sawing. However, this technique does not enable resolutions as fine as can be achieved by lithographic processes. It is therefore not possible to achieve very large spatial resolutions with a detector which is doped with lithium on one side,
Aufgrund der Dicke der Lithiumschicht, die typischerweise 200 bis 1000 μm tief ist, lassen sich ferner nachteilhaft keine Transmissionsdetektoren bereitstellen.Due to the thickness of the lithium layer, which is typically 200 to 1000 μm deep, it is also disadvantageous that no transmission detectors can be provided.
Um eine Phosphorschicht und die damit verbundenen Nachteile zu vermeiden und dennoch zu hohen Ortsauflösungen einschließlich eines Transmissionsdetektors zu gelangen, ist versucht worden, die Phosphorschicht durch eine amorphe Germaniumschicht zu ersetzen,, die mit einer Aluminiumoberflächenschicht versehen worden ist, Ein solcher Stand der Technik ist beispielsweise aus der Druckschrift „A 140- element Germanium Detector Fabricated with Amorphous Germanium Blocking Contacts,,P,N, Luke et al, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol, 41 , No. 4, August 1994" bekannt,In order to avoid a phosphor layer and the associated disadvantages and still achieve high spatial resolutions including a transmission detector, attempts have been made to replace the phosphor layer with an amorphous germanium layer which has been provided with an aluminum surface layer. Such a prior art is for example from the publication “A 140- element Germanium Detector Fabricated with Amorphous Germanium Blocking Contacts ,, P, N, Luke et al, IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol, 41, No. August 4, 1994 "
Aluminium kann durch andere Metalle wie Palladium oder Gold ersetzt sein.Aluminum can be replaced by other metals such as palladium or gold.
Um beim vorgenannten Stand der Technik zur gewünschten Strukturierung zu gelangen, wird das Metall strukturiert und zwar streifenförmig aufgetragen, Beim Stand der Technik wird die amorphe Germaniumschicht nicht strukturiert, Diese ist nur sehr gering leitfähig, so dass die Strukturierung der metallischen Oberfläche genügt, um einen ortsauflösenden Detektor zu erhalten.In order to achieve the desired structuring in the abovementioned prior art, the metal is structured and applied in the form of a strip. In the prior art, the amorphous germanium layer is not structured, this is only very slightly conductive, so that the structuring of the metallic surface is sufficient for one to obtain spatially resolving detector.
Versuche haben jedoch gezeigt, dass beim vorgenannten Detektor mit der strukturierten metallischen Oberfläche nur eine vergleichsweise schlechte Energieauflösung erreicht wird. Ferner treten bei der Energiebestimmung relativ viele Messfehler auf. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Detektors der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Genauigkeit bei der Energiebestimmung und einer verbesserten Energieauflösung bei der Messeung.However, tests have shown that the aforementioned detector with the structured metallic surface achieves only a comparatively poor energy resolution. Furthermore, a relatively large number of measurement errors occur in the energy determination. The object of the invention is to provide a detector of the type mentioned at the outset with improved accuracy in energy determination and improved energy resolution in measurement.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen ortsauflösenden Detektor mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst, Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ein Verfahren zur Herstellung des Detektors ergibt sich aus dem nebengeordneten Anspruch,The object of the invention is achieved by a spatially resolving detector with the features of the first claim. Advantageous refinements result from the subclaims. A method for producing the detector results from the subordinate claim,
Gelöst wird die Aufgabe durch einen ortsauflösenden Detektor für die Messung von geladenen Teilchen mit einem Oberflächehbereich, der durch eine amorphe Schicht und eine darüber befindliche, strukturierte metallische Schicht gebildet ist. Die Struktur der metallischen Schicht ist in die amorphe Schicht hinein fortgesetzt, Es kommt also erfindungsgemäß darauf an, dass nicht nur die metallische Oberfläche, sondern auch die darunter befindliche amorphe Schicht strukturiert Ist, Die Strukturen stimmen überein.The object is achieved by a spatially resolving detector for the measurement of charged particles with a surface area which is formed by an amorphous layer and a structured metallic layer located thereover. The structure of the metallic layer is continued into the amorphous layer. According to the invention, it is important that not only the metallic surface but also the amorphous layer located below is structured. The structures match.
Vorteilhaft reicht die Struktur der metallischen Schicht durch die amorphe Schicht hindurch bis in die Kristallstruktur hinein, auf der die amorphe Schicht aufgebracht ist.The structure of the metallic layer advantageously extends through the amorphous layer into the crystal structure on which the amorphous layer is applied.
Es hat sich gezeigt, dass die Messgenauigkeit bei der Energiebesfimmung im Vergleich zum Stand der Technik erhöht wird, wenn die Strukturierung in die amorphe Schicht hineinreicht, Auch wird die erreichbare Energieauflösung deutlich verbessert. Die Verbesserungen gelingen insbesondere, wenn die Struktur durch die amorphe Schicht hindurchgeführt ist und bis in die darunter befindliche kristalline Struktur hineinreicht. Es genügen einige μm Tiefe der Struktur im kristallinen Bereich. Wenigstens 1 μm tief, bevorzugt wenigstens 5 μm tief sollte die Struktur in den halbleitenden Bereich hineinreichen.It has been shown that the measurement accuracy in energy determination is increased compared to the prior art if the structuring extends into the amorphous layer. The achievable energy resolution is also significantly improved. The improvements are particularly successful if the structure is passed through the amorphous layer and extends into the crystalline structure located underneath. A few μm depth of the structure in the crystalline area is sufficient. The structure should extend into the semiconducting region at least 1 μm deep, preferably at least 5 μm deep.
Sehr gute Ergebnisse wurden mit einer amorphen Schicht aus Germanium erzielt. Die metallische Schicht kann zum Beispiel aus Aluminium, Palladium oder Gold bestehen. Der kristalline Bereich unterhalb der amorphen Schicht besteht bevorzugt dann ebenfalls aus Germanium, Um zu guten Ortsαuflösungen zu gelangen, wird die Struktur durch Segmente gebildet, die untereinander einen Absfand von weniger als 200 μm, insbesondere einen Abstand von weniger als 100 μm, besonders bevorzugt von weniger als 20 μm aufweisen. Die praktisch realisierbare Untergrenze liegt bei ca. 1 μm, Die gewünschten kleinen Strukturen können beispielsweise durch ein photophotolithografisches Verfahren erzeugt werden.Very good results were achieved with an amorphous layer made of germanium. The metallic layer can consist, for example, of aluminum, palladium or gold. The crystalline region below the amorphous layer then preferably also consists of germanium, In order to achieve good spatial resolutions, the structure is formed by segments which have an offset of less than 200 μm, in particular a distance of less than 100 μm, particularly preferably less than 20 μm. The practically realizable lower limit is approx. 1 μm. The desired small structures can be generated, for example, by a photophotolithographic process.
Die amorphe Schicht ist grundsätzlich auf einem Halbieitermateriai aufgebracht. Die amorphe Schicht weist daher eine elektrische Leitfähigkeit auf, die wesentlich kleiner als die Leitfähigkeit des Material ist, welches sich unterhalb der amorphen Schicht befindet.The amorphous layer is basically applied to a semiconductor material. The amorphous layer therefore has an electrical conductivity which is significantly less than the conductivity of the material which is located below the amorphous layer.
Erfindungsgemäß wird in einem Ausführungsbeispiel zur Herstellung zunächst eine amorphe Germaniumschicht auf kristallines Germanium aufgesputtert oder aufgedampft. Anschließend wird eine Metallschicht so z.B. eine Aluminiumschicht aufgedampft. Anschließend werden lithographisch die gewünschten Strukturen definiert hergestellt. Innerhalb der amorphen Germanium-Metall-Schicht werden Gräben so tief geätzt, dass diese wenigstens bis an den Germaniumkristallbereich herangelangen. Vorteilhaft reichen diese Gräben bis in den Ger aniurnkristail hinein. Auf der gegenüberliegenden Seite wurde durch Dotierung mit Bor und anschließender Mikrostrukturierung der Gegenkontakt (p+) bereitgestellt.According to the invention, in an exemplary embodiment, an amorphous germanium layer is first sputtered or vapor-deposited onto crystalline germanium. A metal layer is then evaporated, for example an aluminum layer. The desired structures are then lithographically produced in a defined manner. Trenches are etched so deeply within the amorphous germanium metal layer that they at least reach the germanium crystal region. These trenches advantageously extend into the geranium crystal. On the opposite side, the counter contact (p + ) was provided by doping with boron and subsequent microstructuring.
Beim Ausführungsbeispiel konnten die folgenden Vorteile festgestellt werden:The following advantages were found in the exemplary embodiment:
• Eine Einzelauslese von unter 100 μm breiten Segmenten ist möglich; • eine Ortsauf lösung von besser als 100 μm x 100 μm kann realisiert werden; " • ein Betrieb bei hohen Zählraten oberhalb von 105 Ereignissen pro Sekunde ist möglich;• Single selection of segments less than 100 μm wide is possible; • A spatial resolution of better than 100 μm x 100 μm can be achieved; "• Operation at high count rates above 10 5 events per second is possible;
• eine schnelle Ortsbestimmung (iypischerweise 20 ns für Germanium) für Triggerzwecke, und zur Auflösung von Mehrdeutigkeiten ist durchführbar;• a quick location determination (typically 20 ns for germanium) for trigger purposes and to resolve ambiguities is feasible;
• es gelingt der Nachweis von zwei oder mehr gleichzeitig einfallenden Teilchen oder Photonen;• two or more simultaneously incident particles or photons can be detected;
• Eine dreidimensionale Ortsbestimmung ( Δz ~ 100 μm) durch individuelle Driftzeitmessungen pro Segment mit Zeitauflösungen <10 ns FWHM kann durchgeführt werden; • eine. Teilchenidentifikαtion durch Messung der Driftzeitdifferenzen ist durchführbar.• A three-dimensional location determination (Δz ~ 100 μm) by individual drift time measurements per segment with time resolutions <10 ns FWHM can be carried out; • one. Particle identification by measuring the drift time differences can be carried out.
Die Maße eines Detektors betragen iypischerweise 3 Zoll im Durchmesser. Die Dicke des Detektors beträgt typischerweise 10 bis 20 mm, Die effektive Dicke der Borschicht liegt regelmäßig unterhalb von 1 μm. Die Dicke der amorphen Germaniumschicht ist typischerweise ca. 0,1 μm dick, Die Metallschicht ist typischerweise 0,1 bis 0,2 μm dick. Die Tiefe der Gräben beträgt .typischerweise 10 μm.The dimensions of a detector are typically 3 inches in diameter. The thickness of the detector is typically 10 to 20 mm. The effective thickness of the boron layer is regularly below 1 μm. The thickness of the amorphous germanium layer is typically approx. 0.1 μm thick. The metal layer is typically 0.1 to 0.2 μm thick. The depth of the trenches is typically 10 μm.
Beim Stand der Technik reicht implantiertes Bor regelmäßig bis zu 10 μm oder sogar bis zu 20 μm in den Germaniumkristall hinein, Bis in diese Tiefe wurde auch geätzt. Im vorliegenden Fall unterscheidet sich die Erfindung vom Stand der Technik insbesondere dadurch, dass die Tiefe des Grabens sehr viel weiter reicht, als dies für die Metallschicht oder aber auch für die amorphe Germaniumschicht an für sich hätte erforderlich sein müssen, Dies Ist erfindungswesentlich, um die optimalen Wirkungen zu erzielen,In the prior art, implanted boron regularly extends up to 10 μm or even up to 20 μm into the germanium crystal. Etching has also been carried out to this depth. In the present case, the invention differs from the prior art in particular in that the depth of the trench extends much further than would have been necessary for the metal layer or also for the amorphous germanium layer itself to achieve optimal effects,
Anstelle eines Germaniumkristalis kann ein aus Silizium bestehender Kristall vorgesehen werden,Instead of a germanium crystal, a crystal consisting of silicon can be provided,
Der Detektor ist insbesondere im medizinischen Bereich einzusetzen, da die bisher verwendeten Detektoren nicht die erforderlichen Ortsauflösungen bei gleichzeitiger hoher Zählrate liefern. Die Ortsauflösung kann bei der vorliegenden Erfindung praktisch unbegrenzt gesteigert werden. Größenordnungsmäßig kann die Ortsauflösung im Vergleich zu bisher bei in der Medizin eingesetzten Detektoren unter Beibehaltung der übrigen Leistungsfähigkeit ohne weiteres verdoppelt werden. Die Ortsauflösung im medizinischen Bereich betrug bisher 2 mm. Ortsauf lösungen von 1 mm können nun unproblematisch realisiert werden, insbesondere im Bereich der Tomographie wird der Detektor eingesetzt, um zu wesentlich besseren Ergebnissen zu gelangen,The detector is to be used in particular in the medical field, since the detectors previously used do not provide the required spatial resolutions with a high counting rate. The spatial resolution can be increased practically indefinitely in the present invention. In terms of magnitude, the spatial resolution can easily be doubled compared to hitherto used in detectors used in medicine while maintaining the remaining performance. The spatial resolution in the medical field was previously 2 mm. Spatial resolutions of 1 mm can now be implemented without any problems, in particular in the field of tomography the detector is used to achieve significantly better results.
Positronen-Emmisionstomographie ist ein weiteres an Gebiet im medizinischen Bereich, wo der Detektor vorteilhaft eingesetzt werden kann. SPECT Ist ein weiteres Anwendungsbeispiel. Der Detektor ist dann insbesondere Bestandteil einer Compton- Kamera, Kleintierpositronen-Emmisionstomographie ist ein weiteres typisches Anwendungsbeispiel in der Medizin. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Astrophysik für den vorliegenden Detektor,Positron emission tomography is another area in the medical field where the detector can be used to advantage. SPECT is another application example. The detector is then in particular a component of a Compton camera, small animal positron emission tomography is another typical example of use in medicine. Another important area of application is astrophysics for the present detector,
Anhand der Figuren 1 und 2 werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to FIGS. 1 and 2.
Figur 1 zeigt einen Schntit durch einen aus Germanium bestehenden Halbleiter 1 , Der Halbleiter 1 weist an einer Oberfläche ein Schicht 2 auf, die aus amorphen Germanium besteht. Diese bildet einen n+-Kontakt. Entgegengesetzt befindet sich eine Schicht 3 des Halbleiters, die mit Bor dotiert ist. Diese bildet einen p+-Kontakt. Auf den Schichten 2 und 3 sind metallische Schichten 4 und 5 aufgebracht, die der elektrischen Kontaktierung dienen,FIG. 1 shows a section through a semiconductor 1 consisting of germanium. The semiconductor 1 has a layer 2 on one surface which consists of amorphous germanium. This forms an n + contact. Opposite is a layer 3 of the semiconductor, which is doped with boron. This forms a p + contact. Metallic layers 4 and 5, which serve for electrical contacting, are applied to layers 2 and 3,
Im Unterschied zum Stand der Technik ist auf der Seite mit dem n+-Kontakt nicht lediglich die metallische Schicht streifenförmig strukturiert, Statt dessen reichen die Gräben 5 bis in die amorphe Schicht 2 hinein, so dass diese einzelne voneinander getrennte Segmente aufweist,In contrast to the prior art, on the side with the n + contact, not only is the metallic layer structured in the form of a strip. Instead, the trenches 5 extend into the amorphous layer 2, so that the latter has individual segments which are separate from one another.
Auf der entgegengesetzten Seite kann der p+-Kontakt ebenfalls streifenförmig strukturiert sein, Die Streifen verlaufen dann grundsätzlich senkrecht zu den Streifen auf der Seite mit dem amorphen Germanium, (hier also parallel zur Papierebene). Daher sind keine Gräben sichtbar.On the opposite side, the p + contact can also be structured in a stripe shape. The stripes then generally run perpendicular to the stripes on the side with the amorphous germanium (here, therefore, parallel to the plane of the paper). Therefore no trenches are visible.
Besonders leistungsfähig ist die Ausführungsform gemäß Figur 2. Hier reichen die Gräben 5 bis in das Halbleitermaterial hinein,The embodiment according to FIG. 2 is particularly powerful. Here, the trenches 5 extend into the semiconductor material,
Anstelle von Germanium kann beispielsweise kristallines bzw. amorphes Silizium eingesetzt sein. Als Halbieiterrnaterial kommen lli-V-Verbindungen wie GaAs oder CdTe in Betracht, Anstelle einer Dotierung mit Bor wurde festgestellt, dass die Schicht 3 durch amorphes Germanium oder aber auch amorphes Silizium ersetzt sein kann. Warum dies funktioniert, ist physikalisch nicht geklärt,Instead of germanium, for example, crystalline or amorphous silicon can be used. Ili-V compounds such as GaAs or CdTe are suitable as semi-ceramic materials. Instead of doping with boron, it was found that layer 3 can be replaced by amorphous germanium or else amorphous silicon. Why this works is not physically clear,
Die Breite der Gräben liegen zwischen 1 und 200 μm, Die Streifen sind also 1 und 200 μm voneinander entfernt, The width of the trenches is between 1 and 200 μm, so the strips are 1 and 200 μm apart,

Claims

Ansprüche Expectations
1. Ortsαuflösender Detektor für die Messung von geladenen Teilchen mit einem Oberflächenbereich, der durch eine amorphe Schicht und eine darüber befindliche, strukturierte metallische Schicht gebildet ist,1. Location-resolving detector for the measurement of charged particles with a surface area which is formed by an amorphous layer and a structured metallic layer located thereover,
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
die Struktur der metallischen Schicht in die amorphe Schicht hinein fortgesetzt ist,the structure of the metallic layer is continued into the amorphous layer,
2. Ortsauflösender Detektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der metallischen Schicht durch die amorphe Schicht hindurch bis in die Kristallstruktur hineinreicht, auf der die amorphe Schicht aufgebracht ist,2. Spatially resolving detector according to claim 1, characterized in that the structure of the metallic layer extends through the amorphous layer into the crystal structure on which the amorphous layer is applied,
3. Ortsauflösender Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Schicht aus Germanium oder Silizium gebildet ist,3. Spatially resolving detector according to claim 1 or 2, characterized in that the amorphous layer is formed from germanium or silicon,
4. Ortsauflösender Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht aus Aluminium, Palladium oder4. Spatially resolving detector according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic layer made of aluminum, palladium or
Gold besteht,Gold exists,
5. Ortsauflösender Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kristalline Bereich unterhalb der amorphen Schicht aus Germanium, Silizium oder einer Ill-V-Verbindung gebildet ist,5. Spatially resolving detector according to one of the preceding claims, characterized in that the crystalline region below the amorphous layer is formed from germanium, silicon or an Ill-V compound,
6. Ortsauflösender Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur durch Segmente gebildet ist, die untereinander einen Abstand von weniger als 200 μm, insbesondere einen Abstand von weniger als 100 μm, besonders bevorzugt von weniger als 20 μm aufweisen,6. Spatially resolving detector according to one of the preceding claims, characterized in that the structure is formed by segments which are at a distance from one another of less than 200 μm, in particular a distance of less than 100 μm, particularly preferably of less than 20 μm,
7. Ortsauflösender Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Schicht auf einem Halbleitermaterial aufgebracht ist.7. Spatially resolving detector according to one of the preceding claims, characterized in that the amorphous layer on a semiconductor material is applied.
8. Ortsauflösender Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Schicht eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die wesentlich kleiner als die Leitfähigkeit des Material ist, welches sich unterhalb der amorphen Schicht befindet. " . -8. Spatially resolving detector according to one of the preceding claims, characterized in that the amorphous layer has an electrical conductivity which is substantially smaller than the conductivity of the material which is located below the amorphous layer. " . -
9. Tomograph oder Compton-Kamera mit einem Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 9. Tomograph or Compton camera with a detector according to one of the preceding claims.
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